小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)直流母線電壓波動(dòng)抑制策略

姚緒梁 羅興鴻,2 馬 赫 黃乘齊

小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)直流母線電壓波動(dòng)抑制策略

姚緒梁1羅興鴻1,2馬 赫1黃乘齊1

（1. 哈爾濱工程大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 150001 2. 杭州中恒電氣股份有限公司 杭州 310051）

現(xiàn)代船舶電動(dòng)吊機(jī)廣泛采用雙側(cè)脈寬調(diào)制交直交調(diào)速系統(tǒng)，但因其直流母線使用大容量電解電容使得系統(tǒng)不宜集成化且維修困難。該文在對(duì)系統(tǒng)小信號(hào)建模的基礎(chǔ)上，提出一種采用小容量電容的控制策略。首先分析直流母線采用小電容時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)原因，而后設(shè)計(jì)直流母線電壓前饋補(bǔ)償、d軸電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和帶載能力，并結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)得到小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)控制策略。以永磁同步電機(jī)作為負(fù)載的仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該策略能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可抑制轉(zhuǎn)矩突變及脈動(dòng)時(shí)的直流母線電壓波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)諧波注入較少且參數(shù)設(shè)計(jì)方法具有普適性。

雙PWM調(diào)速 小信號(hào)建模 小電容 前饋補(bǔ)償 抑制直流母線電壓波動(dòng)

0 引言

現(xiàn)代船舶電動(dòng)吊機(jī)廣泛采用雙脈寬調(diào)制（Dual Pulse Width Modulation, Dual-PWM）調(diào)速系統(tǒng)，其電能雙向流動(dòng)能力使其迅速替代了傳統(tǒng)相控調(diào)速系統(tǒng)，而雙PWM調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載側(cè)電機(jī)功率突變或波動(dòng)時(shí)會(huì)引起直流母線電壓波動(dòng)、電網(wǎng)電壓閃變等問(wèn)題[1]。為抑制直流母線電壓波動(dòng)，通常會(huì)采取直流母線并聯(lián)大容量電解電容的辦法緩存整流側(cè)與逆變側(cè)能量差，但這會(huì)使系統(tǒng)成本升高且不宜集成與維修[2]。如何減小直流母線電容容量成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[3]。

調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓波動(dòng)D往往被限定在標(biāo)稱(chēng)電壓的百分之幾以下[4]，因此直流母線電容緩存整流側(cè)與逆變側(cè)能量差DdcD很小，所以大容量電解電容在雙PWM調(diào)速系統(tǒng)使用效率很低。但若直接減小電容容量不僅會(huì)導(dǎo)致負(fù)載突變時(shí)直流電壓出現(xiàn)較大超調(diào)，同時(shí)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩振蕩時(shí)母線電壓也會(huì)隨之振蕩，這不僅會(huì)影響共母線上的精密儀器，也會(huì)向電網(wǎng)中注入較高的諧波[5]。為了在使用小電容的同時(shí)也保證直流母線電壓穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多的工作，主要可以分為三個(gè)方面：①將負(fù)載側(cè)信息前饋到整流側(cè)由獨(dú)立控制變?yōu)閰f(xié)調(diào)控制[6-10]；②以Nyquist、Middlebrook、Wildrick等穩(wěn)定性判據(jù)為基礎(chǔ)重構(gòu)輸入輸出阻抗解決輸入輸出阻抗不匹配而造成系統(tǒng)失穩(wěn)的問(wèn)題[11-13]；③并聯(lián)小功率輔助電路使系統(tǒng)能量有額外的儲(chǔ)存路徑[14-17]。文獻(xiàn)[6]提出了一種結(jié)合自抗擾和負(fù)載功率前饋的控制策略，該策略能有效抑制直流母線電壓波動(dòng)，并且提高整流前級(jí)的自抗擾能力。文獻(xiàn)[7]提出了一種雙側(cè)預(yù)測(cè)控制與功率前饋結(jié)合的辦法，對(duì)逆變側(cè)所需功率進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，抑制了負(fù)載突變時(shí)的電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[8-10]從直流母線能量平衡角度出發(fā)，分析其直流電壓不穩(wěn)定的原因，并將多個(gè)前饋信息引入到整流側(cè)電流環(huán)上，實(shí)現(xiàn)了多端口同時(shí)工作時(shí)的功率平衡。文獻(xiàn)[11]從改變負(fù)載輸入阻抗和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性角度出發(fā)，設(shè)計(jì)含有比例補(bǔ)償器的小電容系統(tǒng)，具有較強(qiáng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[12]改變了整流前級(jí)輸出阻抗，將補(bǔ)償信號(hào)注入PWM整流器的電壓外環(huán)中，利用有源阻尼補(bǔ)償?shù)姆椒ūＷC了直流母線的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)電容電流的直接控制，保證了整流側(cè)的輸出電流與逆變側(cè)輸入電流平衡，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了即插即用的虛擬無(wú)窮大電容，使得直流母線阻抗在高頻或低頻時(shí)具有較高的阻抗，能抑制直流母線電壓隨機(jī)波動(dòng)。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了具有能量?jī)?chǔ)存功能的附加電路，保證直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)有效地降低了電容容量。文獻(xiàn)[16]根據(jù)系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度，設(shè)計(jì)了具有通用性的自適應(yīng)有源電容變換器，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本文在對(duì)雙PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行小信號(hào)建模的基礎(chǔ)上，以Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，改變了整流前級(jí)的輸入阻抗，同時(shí)提升系統(tǒng)級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)d軸電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)提升小電容整流前級(jí)的帶載能力，隨后結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)提出復(fù)合阻抗補(bǔ)償方案，使小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)具有較強(qiáng)帶載能力的同時(shí)又有較高的穩(wěn)定性。該方法無(wú)需附加電路，易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)設(shè)計(jì)方法具有普適性。最后通過(guò)搭建小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)的仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)小信號(hào)分析

1.1 Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)

Middlebrook教授提出單獨(dú)穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)級(jí)聯(lián)后可能由于相互作用失去穩(wěn)定性，但若前級(jí)輸出阻抗out的模在全頻率范圍內(nèi)小于后級(jí)阻抗的輸入阻抗in的模，則該級(jí)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定[17]。圖1為Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)典型穩(wěn)定系統(tǒng)、非穩(wěn)定系統(tǒng)幅頻特性 曲線。

圖1 典型穩(wěn)定系統(tǒng)與非穩(wěn)定系統(tǒng)伯德

現(xiàn)代船舶電動(dòng)吊機(jī)廣泛采用雙PWM調(diào)速系統(tǒng)即典型的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，其拓?fù)淙鐖D2所示，該系統(tǒng)采用整流單元作為前級(jí)，逆變單元驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）作為后級(jí)。

圖2 雙PWM調(diào)速系統(tǒng)

圖2中，L為整流側(cè)負(fù)載電流；dc為直流母線電壓；out為整流單元輸出阻抗；in為逆變單元輸入阻抗。為了研究該系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性，后文將對(duì)整流前級(jí)三相VSR的輸出阻抗out進(jìn)行精確推導(dǎo)并研究各個(gè)參數(shù)和補(bǔ)償策略對(duì)out的影響。逆變側(cè)輸入阻抗in采用文獻(xiàn)[18]中推導(dǎo)模型，本文不做具體推導(dǎo)。

1.2 三相VSR開(kāi)環(huán)小信號(hào)模型

三相PWM電壓源型整流器（Voltage Source Rectifier, VSR）拓?fù)淙鐖D3所示，圖中，g為電網(wǎng)電壓，g為電感，g為傳輸電阻，為電容。

圖3 三相PWM電壓源型整流器拓?fù)?/p>

三相VSR在dq坐標(biāo)系下的模型為

式中，d、q分別為d、q坐標(biāo)系下電流；d、q分別為d、q坐標(biāo)系下電壓；d、q分別為d、q坐標(biāo)系下占空比；0為電網(wǎng)角頻率。由式（1）知，dq軸模型中存在耦合，因此電流環(huán)采用前饋解耦，即

依據(jù)拉普拉斯變換得到三相VSR開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如式（6）所示，其值詳見(jiàn)附錄。

1.3 三相VSR閉環(huán)輸出阻抗

當(dāng)三相VSR采用電壓定向控制時(shí)，d軸分量控制框圖如圖4所示。

圖4 電壓定向控制時(shí)d軸分量控制框圖

將1.2節(jié)中推導(dǎo)的三相VSR開(kāi)環(huán)模型與電壓電流控制拓?fù)湎嘟Y(jié)合得到三相VSR閉環(huán)小信號(hào)控制框圖如圖5所示。

由圖5知，該系統(tǒng)共有3個(gè)閉合回路傳遞函數(shù)1、2、3，分別為

1.4 母線電容、負(fù)載電流對(duì)系統(tǒng)影響

由1.1節(jié)知，三相VSR閉環(huán)輸出阻抗out影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而由式（10）可知，不同的直流電容、負(fù)載電流都有不同的out，將50mF、100mF、200mF 3個(gè)電容值代入式（10），并畫(huà)出不同電容下三相VSR輸出阻抗幅值曲線如圖6a所示，將直流電流L=5A、8A、10A代入式（10），并畫(huà)出不同負(fù)載電流下三相VSR輸出阻抗幅值曲線如圖6b所示。

由圖6知，母線電容越小或負(fù)載電流越大時(shí)，三相VSR輸出阻抗幅值越大，越易與逆變側(cè)輸入阻抗相交使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。所以直接減小雙PWM調(diào)速系統(tǒng)電容值不僅會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低還會(huì)使系統(tǒng)帶載能力下降，為解決該問(wèn)題下文將提出一種在使用小電容時(shí)的雙PWM調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的策略。

圖6 不同母線電容、負(fù)載電流下三相VSR輸出阻抗

2 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性提升方案

船舶電動(dòng)吊機(jī)工作中不僅要求雙PWM調(diào)速系統(tǒng)滿足Middlebrook判據(jù)，還需使其具有較高的帶載能力，本節(jié)設(shè)計(jì)了電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以減小整流器輸出阻抗峰值，設(shè)計(jì)d軸電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)提升系統(tǒng)帶載能力，綜合兩種方案得到小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)控制方案。

2.1 電壓前饋補(bǔ)償

由圖6a知，阻抗發(fā)生交截的部分主要在較高頻段，所以在設(shè)計(jì)電壓前饋補(bǔ)償器時(shí)應(yīng)盡可能保證其低頻段阻抗不變而降低其高頻阻抗峰值。圖7為電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，式（11）為電壓前饋補(bǔ)償器傳遞函數(shù)。

圖7 電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

將不同Kv、wv代入式（13）可得到幾組不同Kv、wv下三相VSR輸出阻抗幅值特性曲線如圖8a所示。為設(shè)計(jì)電壓補(bǔ)償器Kv、wv系數(shù)，可將其視為變量，比較不同系數(shù)下的輸出阻抗峰值如圖8b所示。

由圖8a知，電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以明顯降低三相VSR輸出阻抗峰值，out與in不再相交從而滿足Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)。但同時(shí)存在多組v、v可使三相VSR輸出阻抗峰值減小如圖8b所示，設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)不僅要保證級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性，還需保證三相VSR單極穩(wěn)定即閉環(huán)特征方程所有的根均有負(fù)實(shí)部，圖8b中左側(cè)非穩(wěn)定區(qū)域雖有較好地減少阻抗的效果，但三相VSR單級(jí)失穩(wěn)。所以綜合考慮單極穩(wěn)定性與阻抗減小效果選擇參數(shù)v=0.7，v=14 000。

2.2 d軸電流前饋補(bǔ)償

由圖6b知，負(fù)載電流越大，out越易與in相交，而小電容的加入會(huì)使系統(tǒng)阻抗峰值增加，減小負(fù)載電流L可使系統(tǒng)穩(wěn)定，但這會(huì)使三相VSR帶載能力下降。本節(jié)為提升系統(tǒng)帶載能力設(shè)計(jì)如圖9所示d軸電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，式（14）為d軸電流前饋補(bǔ)償器傳遞函數(shù)。

圖9 d軸電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

其參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程與電壓前饋補(bǔ)償類(lèi)似，此處不再贅述，選擇參數(shù)c=25 000，c=4 400作為d軸電流前饋補(bǔ)償器參數(shù)。為比較補(bǔ)償前后帶載能力的差別，以直流負(fù)載電流L為變量，使其從7A增大到16A，觀察系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)變化趨勢(shì)如圖10所示。

由圖10知，隨著L不斷增大，系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)向右半平面移動(dòng)，即系統(tǒng)穩(wěn)定性隨負(fù)載電流增大而下降。對(duì)比臨界穩(wěn)定狀態(tài)，加入d軸電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)的最大負(fù)載電流15.2A明顯大于無(wú)補(bǔ)償時(shí)的10.3A。所以加入d軸前饋補(bǔ)償后系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)間變大，即系統(tǒng)帶載能力提升。

圖10 系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)隨iL變化示意圖

2.3 復(fù)合阻抗補(bǔ)償

為了使三相VSR同時(shí)具有較低的輸出阻抗峰值以及較強(qiáng)的帶載能力，采用復(fù)合阻抗補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ鐖D11所示。

圖11 復(fù)合阻抗補(bǔ)償環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

上述幾種方案的阻抗峰值減小效果如圖12所示，可見(jiàn)，復(fù)合阻抗補(bǔ)償方案使系統(tǒng)輸出阻抗峰值由34dB變?yōu)?5dB，優(yōu)于單獨(dú)電壓前饋補(bǔ)償30dB和單獨(dú)電流前饋的26.5dB，out與in不再相交，系統(tǒng)滿足Middlebrook判據(jù)。

圖12 三相VSR不同阻抗補(bǔ)償辦法輸出阻抗

當(dāng)直流母線電壓穩(wěn)定時(shí)，可認(rèn)為整流側(cè)負(fù)載電流有效值代表小電容系統(tǒng)帶載能力，同時(shí)考慮級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性與單級(jí)穩(wěn)定性，得到不同電容下不同補(bǔ)償辦法的最大負(fù)載電流如圖13所示。

圖13 不同電容下最大負(fù)載電流

由圖13知，復(fù)合輸出阻抗結(jié)合了二者的優(yōu)勢(shì)不僅具有較低的輸出阻抗峰值，也具有較高的帶載能力。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真分析

建立小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真模型參數(shù)見(jiàn)表1。永磁同步電機(jī)運(yùn)行于1 000r/min，在0.5s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由8N?m變?yōu)?6N?m，并于0.7s時(shí)恢復(fù)。

表1 小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真參數(shù)

Tab.1 Specificparameters of dual-PWM speed regulation system with small capacitance

第2節(jié)提到的補(bǔ)償方法對(duì)比效果如圖14～圖16所示，圖中，Ⅰ表示無(wú)前饋補(bǔ)償，Ⅱ表示電壓前饋補(bǔ)償，Ⅲ表示d軸電流前饋補(bǔ)償，Ⅳ表示復(fù)合前饋補(bǔ)償。圖17為電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。表2為不同補(bǔ)償策略數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖14 不同補(bǔ)償策略下的直流母線電壓（C=50mF）

圖15 不同補(bǔ)償策略下的A相電流（C=50mF）

圖16 不同補(bǔ)償策略下的A相電流THD（C=50mF）

圖17 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速

從圖14～圖17中可知，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩突變時(shí)無(wú)前饋補(bǔ)償（方法Ⅰ）的電壓超調(diào)較大、調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)較大、A相電流THD較大；加入電壓前饋補(bǔ)償后（方法Ⅱ）與方法Ⅰ相比穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)下降50%，A相電流THD下降60.1%；加入d軸電流前饋補(bǔ)償（方法Ⅲ）與方法Ⅰ相比穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)下降36.8%，A相電流THD下降61.3%；復(fù)合前饋補(bǔ)償（方法Ⅳ）與方法Ⅰ相比，穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)下降36.8%，A相電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）下降65.8%。由此可見(jiàn)，所提策略不僅能保證小電容雙PWM系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，還能使系統(tǒng)母線電壓波動(dòng)、注入電網(wǎng)諧波量顯著減小。

表2 不同補(bǔ)償策略仿真數(shù)據(jù)

Tab.2 Simulation datas under different strategies

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)第2節(jié)提到的補(bǔ)償方法進(jìn)行驗(yàn)證，搭建小電容雙PWM調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究，采用兩個(gè)TMS320F28335處理器分別控制三相VSR、永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)關(guān)頻率均為10kHz，如圖18所示。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M電動(dòng)船舶吊機(jī)升降重物過(guò)程，永磁同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制轉(zhuǎn)速給定1 000r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由8N?m突變至16N?m后恢復(fù)。為保護(hù)功率器件不被損害，實(shí)驗(yàn)中電機(jī)加減載采用斜坡信號(hào)給定方式。三相VSR分別采用無(wú)前饋補(bǔ)償與三種前饋補(bǔ)償，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與表1中參數(shù)一致，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)整流側(cè)逆變側(cè)波形如圖19所示，母線電壓、電網(wǎng)電流在不同補(bǔ)償策略下實(shí)驗(yàn)波形如圖20～圖23所示。

圖18 小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖19 1 000r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩突變系統(tǒng)參數(shù)

圖20 無(wú)前饋補(bǔ)償母線電壓、電網(wǎng)電流（方法Ⅰ）

圖19給出無(wú)前饋補(bǔ)償策略（方法Ⅰ）電機(jī)運(yùn)行于1 000r/min時(shí)，負(fù)載由8N?m突變至16N?m后恢復(fù)的整流側(cè)和逆變側(cè)波形，其中整流側(cè)自上至下分別為直流母線電壓、直流母線電流、交流電網(wǎng)A相電流、交流電網(wǎng)A相電壓；逆變側(cè)自上至下分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、相電流。保持逆變側(cè)工況不變，將本文所提四種方法分別應(yīng)用于整流前級(jí)進(jìn)行4次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，將直流母線電壓、交流電網(wǎng)電流波形進(jìn)行對(duì)比，如圖20～圖23所示。由圖20可知，該系統(tǒng)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不僅引起直流母線電壓波動(dòng)，而且也向電網(wǎng)注入大量諧波，此外轉(zhuǎn)矩突變時(shí)直流母線電壓也會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)；由圖21可知，加入電壓前饋補(bǔ)償后（方法Ⅱ）直流母線電壓穩(wěn)態(tài)波動(dòng)由39V降至24V、電壓超調(diào)由19.8%降至8.6%，電網(wǎng)電流雖較無(wú)前饋補(bǔ)償策略有所改善但仍存在較大的畸變；由圖22知，加入d軸電流前饋補(bǔ)償后（方法Ⅲ），直流母線電壓穩(wěn)態(tài)波動(dòng)由39V降至28V、電壓超調(diào)由19.8%降至16%，電網(wǎng)諧波注入明顯減小，但轉(zhuǎn)矩突變時(shí)仍存在較大的電壓超調(diào)；由圖23可知，采用復(fù)合前饋補(bǔ)償策略后（方法Ⅳ），直流母線電壓穩(wěn)態(tài)波動(dòng)由39V降至12V、電壓超調(diào)由19.8%降至7.8%，與無(wú)前饋補(bǔ)償策略（方法Ⅰ）相比各參數(shù)均有較大改善，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖21 電壓前饋補(bǔ)償母線電壓、電網(wǎng)電流（方法Ⅱ）

圖22 d軸電流補(bǔ)償母線電壓、電網(wǎng)電流（方法Ⅲ）

圖23 復(fù)合前饋補(bǔ)償母線電壓、電網(wǎng)電流（方法Ⅳ）

表3 不同補(bǔ)償策略實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.3 Data comparison under different strategies

本次實(shí)驗(yàn)證明了所提控制策略在小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)中能有效抑制直流母線電壓波動(dòng)。

4 結(jié)論

本文以Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)為依據(jù)對(duì)小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)直流母線電壓波動(dòng)原因進(jìn)行探究，并提出補(bǔ)償控制策略對(duì)其進(jìn)行抑制，具體如下：

1）分析了雙PWM調(diào)速系統(tǒng)在Middlebrook判據(jù)下的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性判別方法，并對(duì)整流前級(jí)三相VSR進(jìn)行精確的小信號(hào)建模，得到系統(tǒng)失穩(wěn)主要原因是整流前級(jí)輸出阻抗與逆變后級(jí)輸入阻抗在高頻段存在交點(diǎn)。

2）研究了三相VSR在不同直流母線電容、不同負(fù)載電流時(shí)輸出阻抗特性曲線，并得到結(jié)論：直流母線電容越小或負(fù)載電流越大時(shí)，三相VSR輸出阻抗峰值越大，越易與逆變后級(jí)阻抗相交使系統(tǒng) 失穩(wěn)。

3）設(shè)計(jì)了電壓前饋環(huán)節(jié)降低三相VSR輸出阻抗峰值，設(shè)計(jì)d軸電流前饋環(huán)節(jié)使其具有較大的帶載能力，二者結(jié)合的復(fù)合阻抗補(bǔ)償策略能保證小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4）所提方法在不增加硬件復(fù)雜度的前提下，有效地抑制了小電容雙PWM調(diào)速系統(tǒng)的直流母線電壓波動(dòng)以及電網(wǎng)諧波注入，其參數(shù)設(shè)計(jì)方法具有普適性。

式（6）可由（5）利用式（A1）三相VSR開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)求得。

其中

[1] 謝仕宏, 孟彥京, 高鈺淇, 等. 小電容變頻器及感應(yīng)電機(jī)回饋能量分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(4): 734-744.

Xie Shihong, Meng Yanjing, Gao Yuqi, et al. Analysis about small capacitor frequency converter and feedback energy of induction motors[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(4): 734-744.

[2] 耿程飛, 楊波, 吳翔, 等. 背靠背三電平變流器IGBT共疊層母線過(guò)電壓耦合分析及解耦方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(增刊2): 440-449.

Geng Chengfei, Yang Bo, Wu Xiang, et al. Coupled over-voltage analysis and decoupling method of IGBT on the one laminated bus-bar based on back to back three-level converter[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2020, 35(S2): 440-449.

[3] Zhao Nannan, Wang Gaolin, Li Binxing, et al. Beat phenomenon suppression for reduced DC-link capa- citance IPMSM drives with fluctuated load torque[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(11): 8334-8344.

[4] 葉虹志, 姜燕, 黃守道, 等. 電壓型PWM整流器無(wú)差拍預(yù)測(cè)直接功率控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(4): 121-128.

Ye Hongzhi, Jiang Yan, Huang Shoudao, et al. Dead- beat predictive direct power control for three-phase voltage source PWM rectifiers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(4): 121- 128.

[5] 楊迪瑞, 楊文煥, 李榮高. 雙PWM交流調(diào)速系統(tǒng)耦合調(diào)制建模及其注入電網(wǎng)間諧波電流特性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(3): 869-880.

Yang Dirui, Yang Wenhuan, Li Ronggao. Modeling for coupling modulation in dual PWM speed control systems and characteristic analysis of inter harmonic currents injected into distribution networks[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(3): 869-880.

[6] 朱進(jìn)權(quán), 葛瓊璇, 王曉新, 等. 基于自抗擾和負(fù)載功率前饋的高速磁懸浮系統(tǒng)PWM整流器控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(2): 320-329.

Zhu Jinquan, Ge Qiongxuan, Wang Xiaoxin, et al. Control strategy for PWM rectifier of high-speed maglev based onactive disturbance rejection control and load power feed-forward[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 320- 329.

[7] Xiao Xiong, Zhang Yongjun, Wang Jing, et al. An improved model predictive control scheme for the PWM rectifier-inverter system based on power- balancing mechanism[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(8): 5197-5208.

[8] 李振, 盛萬(wàn)興, 段青, 等. 背靠背低壓直流配電裝備及其直流電壓控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(23): 6873-6881, 7121.

Li Zhen, Sheng Wanxing, Duan Qing, et al. Back to back LVDC distribution equipment and DC voltage control strategy[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(23): 6873-6881, 7121.

[9] 熊飛, 聶川杰, 李駿馳, 等. 電力電子變壓器的內(nèi)部能量流動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(15): 127-138.

Xiong Fei, Nie Chuanjie, Li Junchi, et al. Coor- dination control strategy for energy flow inside power electronic transformer[J]. Automation of Electric Power Systems Press, 2020, 44(15): 127-138.

[10] Si Zhaolu, Zhao Di, Li Kai, et al. A distributed feedforward control method for power electronic transformers[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(4): 319-328.

[11] Liut P, Pierfe S, Bilal A, et al. Stability investigation of inverter motor drive system with input filter- optimisation of the DC-link capacitance value[C]// IEEE Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, 2008: 3728-3734.

[12] Xuan Zhang, Li Xu, Li Yongdong, et al. Stabilization and assessment of interaction dynamics for more electric aircraft[C]//IEEE International Power Elec- tronics and Motion Control Conference, Hefei, 2016: 874-880.

[13] 戴鵬, 朱方田, 朱榮伍, 等. 電容電流直接控制的雙PWM協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(增刊1): 136-141.

Dai Peng, Zhu Fangtian, Zhu Rongwu, et al. Direct control of capacitor current for AC-DC-AC PWM converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(S1): 136-141.

[14] Lin Jun, Weiss G. Plug-and-play control of the virtual infinite capacitor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(2): 1947-1956.

[15] Wang Ruxi, Wang Fei, Boroy D, et al. A high power density single-phase PWM rectifier with active ripple energy storage[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 26(5): 1430-1443.

[16] 張欣, 阮新波. 用于提高級(jí)聯(lián)型電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的自適應(yīng)有源電容變換器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(2): 23-32.

Zhang Xin, Ruan Xinbo. Adaptive active capacitor converter for improving the stability of cascaded DC power supply system[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2012, 27(2): 23-32.

[17] 黃遠(yuǎn)勝, 劉和平, 苗軼如, 等. 基于并聯(lián)虛擬電阻的級(jí)聯(lián)DC-DC變換器穩(wěn)定控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(18): 3927-3937.

Huang Yuansheng, Liu Heping, Miao Yiru, et al. Cascaded DC-DC converter stability control method based on paralleling virtual resistor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(18): 3927-3937.

[18] Liuta P, Awan A, Pierfe S, et al. Linear stabilization of a DC bus supplying a constant power load: a general design approach[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(2): 475-488.

[19] 夏文婧, 劉碧, 王嵩, 等. 基于輸入端電壓動(dòng)態(tài)分量?jī)?yōu)化的PWM整流器模型預(yù)測(cè)控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(1): 200-207.

Xia Wenjing, Liu Bi, Wang Song, et al. Model predictive control of PWM rectifiers based on dynamic component optimization of input-port voltage[J]. Automation of Electric Power Systems Press, 2020, 44(1): 200-207.

DC Bus Voltage Fluctuation Suppression Strategy for Small Capacitance Dual-PWM Speed Regulating System

11,211

（1. College of intelligent Systems Science and Engineering Harbin Engineering University Harbin 150001 China 2. Hangzhou Zhongheng Electric Company Limited Hangzhou 310051 China）

Dual-PWM AC-DC-AC speed regulating system is widely used in modern Marine electric cranes. However, the system is not suitable for integration and maintenance because the DC bus uses large-capacity electrolytic capacitors. Based on the modeling of small signals, this paper presents a control strategy using small capacitance. Firstly, the reasons for system instability when the DC bus adopts small capacitors are analyzed. Then, the DC bus voltage feed-forward compensation and the d-axis current feed-forward compensation are designed to improve the system stability and load capacity. Combined with their advantages, the control strategy of small capacitance dual PWM speed regulation system is obtained. The simulation and experiment with permanent magnet synchronous motor as the load show that this strategy can ensure the stable operation of the system, restrain the voltage fluctuation of the DC bus during load sudden change and vibration, reduce the harmonic injection into the power network, and the parameter design method is universal.

Dual-PWM speed regulating, small signal modeling, small capacitance, feed-forward compensation, restrain the voltage fluctuation of the DC bus

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211056

TM921

姚緒梁 男，1969年生，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、船舶電力推進(jìn)技術(shù)。E-mail: yaoxuliang@hrbeu.edu.cn（通信作者）

羅興鴻 1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、船舶電力推進(jìn)技術(shù)。E-mail: travis@hrbeu.edu.cn

2021-07-15

2021-09-17

黑龍江省自然科學(xué)基金“集成電機(jī)推進(jìn)器電力電子噪聲主動(dòng)抑制策略研究資助項(xiàng)目”（LH2021E037）。

（編輯 陳 誠(chéng)）